Setup, Telemetria e Dinamica del veicolo

27 giugno 2010

Baricentro di un veicolo

Rubrica: Dinamica del veicolo

Titolo o argomento: Baricentro di un veicolo e vettori che in esso agiscono

Nei veicoli, come per tutti i corpi che sono soggetti alla forza di gravità, conoscendo l’intensità, la direzione ed il verso del peso, si può definire un punto nel quale è possibile considerare concentrata ed applicata per l’appunto la forza di gravità. Questo punto è detto baricentro. Per un veicolo la determinazione di tale punto è molto laboriosa e l’accuratezza della sua ricerca è di fondamentale importanza per la determinazione a priori del comportamento dinamico del veicolo.

La forza centrifuga e la forza peso possono essere rappresentate come vettori agenti sul baricentro, così la risultante di queste due forze diventa una linea inclinata funzione delle lunghezze dei vettori sommati. Finché questa linea rimane all’interno della zona individuata dalle ruote il veicolo sarà stabile.

Nell’immagine il vettore orientato verso sinistra rappresenta l’intensità, la direzione ed il verso della forza centrifuga (FC), il vettore orientato verso il basso rappresenta la Forza di gravità agente sul corpo (FG), il vettore P rappresenta la risultante delle due forze. Il punto in cui sono applicati tali vettori è il Centro di Gravità (CG) o Baricentro.

Quando la retta d’azione della risultante arriverà all’esterno del piano d’appoggio il veicolo risulterà sottoposto ad un’azione di capovolgimento. Questo è il motivo fondamentale per cui i veicoli destinati alle corse presentano un baricentro molto basso, ottenuto abbassando le singole masse elementari (scocca, motore, trasmissione) come posizione rispetto al suolo, oppure allargando le carreggiate del veicolo.

Il vettore risultante tra la forza centrifuga e quella di gravità esce al di fuori delle ruote, il veicolo tenderà al ribaltamento.

22 giugno 2010

Movimenti della scocca: rollio, beccheggio, imbardata.

Rubrica: Dinamica del veicolo

Titolo o argomento: Movimenti del veicolo attorno ai principali assi

L’interazione fra i vari gruppi sospensivi, ovvero tra le sospensioni indipendenti delle quattro ruote, genera una serie di moti della scocca rispetto alla ruote che sono di particolare interesse per la definizione del comportamento del veicolo.

I più importanti movimenti per la definizione del comportamento dinamico del veicolo sono il rollio, il beccheggio e l’imbardata.

Il rollio consiste in un trasferimento di peso (o di carico se vogliamo) trasversale del veicolo attorno all’asse longitudinale del veicolo stesso (vedi figura sotto). Questo fenomeno, come vedremo nei prossimi articoli, condiziona notevolmente la tenuta di strada di qualsiasi veicolo con alterazione degli angoli caratteristici (in particolar modo la campanatura o camber) fino a provocare gravi perdite di aderenza delle ruote con conseguente usura anomala e precoce delle stesse.

Il beccheggio è quel trasferimento di peso longitudinale con rotazione attorno all’asse trasversale del veicolo (vedi figura sotto). Si verifica prevalentemente in fase di accelerazione e frenata. Il beccheggio è legato al concetto di trasferimento di carico longitudinale che abbiamo trattato in appositi articoli (vedi i link correlati in basso).

Il moto di imbardata ovvero la rotazione attorno ad un asse verticale è una specie di sterzata che è legata all’aderenza dei pneumatici e alle dimensioni caratteristiche del veicolo: passo e carreggiata. Tutte le forze che tendono a muovere la scocca si realizzano perché i pneumatici a contatto con il terreno offrono delle reazioni vincolari analizzando le quali è possibile determinare i moti cui è sottoposta la scocca. Un parametro fondamentale per l’analisi dei moti è la posizione del baricentro.

Il pompaggio, ovvero l’oscillazione secondo un asse verticale mantenendo la scocca parallela al terreno, è un moto che si può considerare come un caso particolare di beccheggio (una sorta di beccheggio simmetrico).

Link correlati

Trasferimento di carico parte – 1
Trasferimento di carico parte – 2
Trasferimento di carico parte – 3
Trasferimento di carico parte – 4
Trasferimento di carico parte – 5

25 maggio 2010

Ingresso curva, stabilità e trasferimenti di carico

Rubrica: I trasferimenti di carico -5-

Titolo o argomento: Stessi assetti, comportamenti diversi. Perchè?

Talvolta, in pista, si possono verificare situazioni piuttosto contraddittorie… Cerchi di entrare in curva andandoci cauto e la vettura può soffrire di instabilità mentre magari, il tuo compagno di squadra con la stessa vettura e il tuo stesso setup entra più forte e senza problema alcuno di equilibrio. Perchè?

Una delle cause più frequenti è senza dubbio quella in cui un pilota, con poco feeling nei confronti della sua vettura, non opera una staccata ben misurata e accenna l’ingresso curva con un intermittente utilizzo del gas. Talvolta persino al centro curva sente il timore di non riuscire a chiudere la traiettoria per errori di valutazione o perchè sta agendo sul gas in un frangente in cui non andrebbe minimamente sfiorato oppure sta prolungando oltremodo, anche se con una lieve pressione, l’azione sul pedale del freno.

Queste azioni intermittenti e timorose sul pedale del gas o il pedale del freno portano inevitabilmente ad uno squilibrio della vettura perchè si trasferisce il carico in modo anomalo, discontinuo e spesso alle parti opposte rispetto a dove dovrebbe andare.

Se il pilota si è accorto di aver frenato troppo e accenna dei colpetti di gas all’ingresso curva va a trasferire il carico al retrotreno in un momento in cui invece la dinamica migliore consisterebbe nell’avere un pelino di carico in più all’avantreno per permettere al retrotreno di scorrere leggermente ed inserire la vettura. Il risultato è che non appena il pilota avverte il sottosterzo, indotto dal trasferimento di carico al posteriore, rilascia nuovamente il gas… Questo continuo “premi e lascia” anche se in realtà dura solo pochi secondi (se non istanti) sottrae inevitabilmente equilibrio anche al migliore degli assetti. Il problema si risolve parlandone con i tecnici ai box che vi rassicureranno sulla possibilità di frenare più tardi a quella staccata ed entrare in completo rilascio, dando poi gas solo nell’istante in cui vi sentirete in grado di chiudere la traiettoria addrizzando velocemente lo sterzo…

Link correlati

I trasferimenti di carico – Introduzione al trasferimento di carico
I trasferimenti di carico – Analisi di una curva istante per istante
I trasferimenti di carico – Il fenomeno fisico
I trasferimenti di carico – Ridurre il trasferimento di carico
I trasferimenti di carico – Ingresso curva, stabilità e trasferimento di carico

19 maggio 2010

Ridurre il trasferimento di carico

Rubrica: I trasferimenti di carico -4-
Titolo o argomento: Ridurre il trasferimento di carico

L’effetto del trasferimento di carico di cui abbiamo parlato nelle prime tre parti di questa rubrica (vedi i link correlati in basso) è dovuto principalmente alle accelerazioni, siano esse positive o negative, che sono legate all’aderenza fra ruota e terreno. All’aumentare del coefficiente di aderenza si avrà un aumento delle forze di accelerazione e di decelerazione ottenibili, valori che sono poi legati agli effetti di trasferimento di carico.

Si noti come l’accelerazione in un autoveicolo a trazione anteriore comporta possibili effetti di sottosterzo in curva e perdite di aderenza, invece una decelerazione produce una limitazione nell’azione direzionale e frenante del retrotreno, e migliora (in teoria) le caratteristiche di frenata e direzionalità dell’avantreno.

In un veicolo a trazione posteriore, invece, l’accelerazione produce un aumento di aderenza al retrotreno e una peggiore direzionalità dell’avantreno.

Per limitare il beccheggio si può operare un irrigidimento del sistema molla-ammortizzatore che può tuttavia comportare perdite di aderenza; oppure si può limitare il fenomeno con un’opportuna disposizione geometrica dei bracci di ancoraggio alla scocca, che consiste in una sospensione detta anti-squat (anti-cabrata) nel caso si opponga all’alleggerimento dell’avantreno o anti-dive (anti-picchiata) nel caso si opponga all’alleggerimento del retrotreno.

In generale si tende ad adottare delle sospensioni dotate di un cinematismo che realizzi, durante l’escursione, una variazione di passo tale che durante la corsa si generi uno spostamento orizzontale della scocca nella direzione opposta al senso di marcia del veicolo. Tale movimento della scocca, per essere attuato, richiede una notevole quantità di energia, che viene ottenuta a spese di quella che genera il beccheggio.

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Un esempio ultra raffinato di scooter dotato di sistema anti-dive: Italjet Dragster. Questo motorino oltre ad avere la “meccanica” in vista come oggi piace agli italiani, era il primo ed unico ad essere dotato di un raffinato sistema di sospensioni e di sterzo. Una performance di guida sopra la media era garantita persino ad un cinquantino. Pochi anni dopo dalla sua uscita furono messe in commercio anche versioni di maggiore cilindrata nelle quali meglio si poteva godere delle sue peculiarità. Come per tutte le cose molto tecniche ed estreme. Non fu capito dalla massa, oggi invece sarebbe molto apprezzato.

19 maggio 2010

Il fenomeno fisico del trasferimento di carico

Rubrica: I trasferimenti di carico -3-
Titolo o argomento: Il fenomeno fisico

Per trasferimento di carico si intende la variazione delle quote di peso gravanti sull’asse anteriore e posteriore del veicolo rispetto alla situazione statica: questo effetto è causato dalle accelerazioni e dalle decelerazioni che si generano durante il moto. In effetti si sposta la retta d’azione della risultante R fra il carico P e la forza d’inerzia Fi: il carico statico rimane infatti costante fra i due assi, mentre la forza d’inerzia, applicata al baricentro, genera un momento rispetto all’asse di beccheggio che carica un’asse e scarica l’altro. Si ha così una rotazione del baricentro la cui entità dipende dalla distanza del baricentro dall’asse di beccheggio, dalla flessibilità del sistema elastico e dal passo del veicolo. Si ricorda che l’asse di beccheggio è quell’asse trasversale al veicolo attorno a cui la scocca ruota durante i movimenti di beccheggio (accelerazione-frenata), tale asse si può determinare graficamente in funzione della geometria della sospensione. Gli effetti del trasferimento di carico possono venire valutati con la relazione:

T = (a Mh) / L

Dove:
“T” è il trasferimento di peso in N]
“a” è l’accelerazione in m/s2
“h” è l’altezza del baricentro in m
“M” la massa del veicolo in Kg
“L” lunghezza del passo in m

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6 maggio 2010

La mia auto slitta sulla salita ripida di casa

Rubrica: Incominciamo a parlare di automobili | Le domande dei lettori
Titolo o argomento: Problemi di trazione

Risponendo a: Maurizio

Il nostro lettore, Maurizio, ci informa che la sua Hyundai i10 ha problemi di trazione su una breve salita che conduce a casa e, quando piove, su quest’ultima la vettura slitta. Questo problema impedisce alla vettura di completare la salita ed il suo proprietario vorrebbe sapere se è il caso di dotarla di un differenziale autobloccante (qualora vi sia un’azienda che produce tale componente per la suddetta vettura).

Per rispondere meglio avremmo bisogno di capire alcune cose in più: la vettura slitta su un breve tratto quale ad esempio una ripida salita in asfalto/cemento dei garage? In tal caso, anche altre persone che fanno questa salita hanno lo stesso problema con altre vetture? Oppure slitta su un normale tratto di strada con forte pendenza? Avverti che una ruota perde aderenza e quindi la vettura si ferma, essendo dotata di un differenziale aperto, oppure hai la sensazione che la vettura scivoli perchè manca completamente il grip all’avantreno? Quali sono le condizioni di questa salita? Asfalto consumato e viscido solo da un lato (importante per capire se un differenziale autobloccante potrebbe essere la soluzione), oppure presenza frequente di ghiaccio o scoli di acqua o ancora breccino misto terra…

Se fosse una sola ruota a perdere aderenza su questa breve salita, ovviamente con un differenziale aperto normale la vettura si ferma. Al contrario con un differenziale autobloccante dovrebbe riuscire a proseguire a patto che i pneumatici riescano ad avere grip a terra. Tuttavia acquistare un differenziale autobloccante ha un costo piuttosto elevato che può superare i 1500 euro tranquillamente. Inoltre le aziende che li realizzano non li realizzano per tutti i modelli di autovetture. Il differenziale autobloccante non ha bisogno di comandi per essere inserito o disinserito, bensì entra in funzione da solo quando una delle due ruote motrici perde motricità.

Rimane però il fatto che anche il differenziale autobloccante normale ha i suoi limiti. Esso infatti lavora al meglio in condizioni di aderenza ottimale mentre in condizioni di neve o ghiaccio o fondi stradali viscidi è necessario avere un differenziale autobloccante elettronico che lavori insieme alla centralina elettronica della macchina. In poche parole, montare un differenziale autobloccante, oltre alla grande spesa, potrebbe non dare i risultati previsti. Montare un differenziale autobloccante elettronico credo che non sia possibile per la complessità della modifica.

A mio avviso quando piove la vettura perde trazione solo su questa salita di cui ci parli molto probabilmente per la leggerezza della vettura stessa. Penso quindi che anche con l’autobloccante potrebbe non salire. Quando una salita è molto ripida e viene percorsa per forza di cose a bassa velocità, se la spinta che il peso del mezzo (dato dalla massa per l’accelerazione di gravità) offre lungo l’asse verticale non è sufficiente, il veicolo perde trazione. In parole povere i pneumatici non hanno il carico sufficiente addosso che li possa premere a terrà permettendogli di avere una buona presa.

Probabilmente se quando piove fai la prova di percorrere la salita con un passeggero robusto (circa 100kg) all’anteriore e nessun passeggero nei posti dietro, sentirai la vettura avere una maggiore presa e la situazione potrebbe migliorare leggermente. Nel caso di salite in cemento per raggiungere i garage, come in molti casi succede, si procede ad effettuare delle scanalature drenanti sulla strada… Il fondo rimane meno allagato e l’attrito necessario per superare la salita viene ripristinato. Anche in questo caso si slitta meno con una spesa minima. Siamo curiosi di sapere ulteriori aggiornamenti sulle soluzioni che proverai. Buon lavoro.

3 marzo 2010

Perchè ottimizzare un assetto è un’operazione difficile?

Rubrica: Setting | Le domande dei lettori
Titolo o argomento: Il setup di un’auto da corsa, questo sconosciuto

Risponendo a: Riccardo

Riccardo ci pone una domanda molto generica e che in realtà richiederebbe numerosi trattati e la visione di esempi pratici sul campo per trovare una reale risposta. Mettere a punto un ottimo assetto richiede l’analisi di una moltitudine di situazioni che si verificano in un giro di pista. Questo insieme di situazioni a sua volta si riverificherà per tutti i giri che determinano la durata della gara e che, nonostante lo sforzo del pilota nel farli tutti il più possibile simili, non saranno mai del tutto uguali.

Di ogni singola situazione che si verifica in un giro di pista bisogna essere bravi ad individuare quella principale sulla quale operare, ovvero quella che se presa in considerazione per modificare il setup in una direzione, porta vantaggi anche in quasi tutte le altre situazioni. Dico quasi perchè l’assetto perfetto che fa calzare a pennello la vettura sia al pilota, sia a tutti i settori della pista, non mi sembra che esista.

Può accadere che in un giro di pista, il pilota possa trovare che la sua vettura sia sottosterzante in alcuni punti e, addirittura, sovrasterzante in altri. Sebbene la causa di simili anomalie sia spesso dovuta ad errori di guida ovvero ad errori quali un’apertura o chiusura troppo anticipata o ritardata del gas (ma in realtà sono molti di più e molto più complicati i fattori in gioco), può accadere che un assetto realizzato ad hoc per un settore risulti poi inadeguato su un altro tratto di pista. In questo caso si sceglie su quale settore tentare di guadagnare tempo e su quale altro settore rinunciare a preziosi decimi o centesimi. Si fa quindi un bilancio.

Cosa intendo con il termine “situazione”

Un esempio di situazione è il seguente (riportato anche in figura); la vettura simulata attraverso un apposito software viene rappresentata con una serie di vettori che descrivono le forze in gioco in quel dato istante. Nel caso in figura notiamo che l’auto da corsa sta per uscire dalla curva e manifesta un leggero sottosterzo* che permette al pilota di affondare prima il gas senza il rischio di perdere tempo sovrasterzando o, peggio, girandosi. In altri punti del tracciato questa predisposizione della vettura potrebbe ostacolare il corretto inserimento in curve a raggio più stretto o percorse a velocità più elevate. Un metodo di risoluzione del problema potrebbe essere quello di rendere la vettura un pelo più sovrasterzante in modo da permettere un leggero sovrasterzo che evita il surriscaldamento dei pneumatici anteriori.

Nota

Quando il pilota sta guidando, trovandosi in brevi archi di tempo in tante e diverse situazioni che richiedono una risposta immediata, tenta di interpretare con la sua esperienza il comportamento del suo telaio e del suo assetto nel modo migliore. Tuttavia sarà solo tornando ai box e discutendo (telemetria alla mano) con i tecnici, che egli riuscirà a comprendere il fenomeno che lo penalizza in uno o più punti. Dopodiché si interverrà laddove si ottiene un reale vantaggio. Una maggiore difficoltà di guida in un punto della pista con in cambio una vettura molto guidabile nel misto è senza dubbio da preferire (dato che implica solo una maggiore concentrazione da parte del pilota in quel singolo punto) ad una situazione nella quale il pilota senza sforzo alcuno supera un punto difficile trovandosi poi una vettura completamente squilibrata nel resto del tracciato.

*I vettori cambiano colore e lunghezza in base all’entità della forza che agisce nel punto e nella direzione indicata. Analizziamo solo i 4 vettori numerati. Notiamo che la gomma posteriore sinistra ha un vettore (1) “verde” che indica un elevato grip disponibile. La gomma posteriore destra ha un vettore (2) rosso piuttosto corto che sta ad indicare una drastica riduzione di grip dovuta però al normale trasferimento di carico laterale (legato al rollio). All’avantreno invece, la gomma anteriore sinistra (vettore 3) ha una media presa indicata dal vettore giallo mentre la gomma anteriore destra (vettore 4 leggermente coperto dal vettore 3) non sta poggiando a terra in modo corretto. Questa situazione è stata cercata per impedire alla vettura di sovrasterzare quando si apre il gas in modo violento in alcuni settori della pista.

26 febbraio 2010

Setup: Uno step alla volta

L’errore più comune , quando si regola l’assetto di un’auto da corsa, è quello di limitare il più possibile le soste ai box e, di conseguenza, modificare più parametri insieme. Niente di più errato! Che si tratti della realtà o di una simulazione il concetto è sempre lo stesso. Spostare un solo parametro per volta e registrare tutti i precedenti set utilizzati e gli effetti che hanno prodotto. Questo permette senza alcun dubbio di verificare prima di tutto l’effetto che la singola modifica ha portato; in secondo luogo permette di tornare agevolmente indietro qualora la modifica risulti inefficace o peggio provochi una reazione negativa, inaspettata. E allora perchè sposti tutti quei parametri al tuo setup? Perchè tutti insieme e spesso a caso?

17 febbraio 2010

Analisi di una curva, istante per istante

Rubrica: I trasferimenti di carico -2-
Titolo o argomento: Analizziamo una curva istante per istante

Nel momento in cui si percorre una curva in pista, lo si deve fare con una certa logica altrimenti si interviene più e più volte sul setup senza riuscire mai a trovare una soluzione oppure trovando una soluzione che ci soddisfa in una curva ma penalizza il resto del giro.

I piloti meno esperti ad esempio, quando si accorgono di aver frenato troppo presto prima di entrare in curva, danno nuovamente gas anche solo per un breve istante e poi provano ad entrare in curva*. Dico “provano” perchè accelerando in ingresso curva fanno solo danni al tempo sul giro.

Vediamo perchè.

Nel momento in cui si effettua la frenata, abbiamo detto nel precedente articolo di questa rubrica, la vettura distribuisce gran parte del carico sull’assale anteriore come è ovvio e intuibile del resto.

L’istante in cui si molla la presa sui freni va calibrato in modo sopraffino. Si tratta dell’istante nel quale andremo ad inserirci in curva. E’ bene che nell’ingresso in curva vi sia ancora una leggera tendenza della vettura ad avere un pelino di carico in più sull’avantreno e questo perchè così si favorisce l’inserimento della vettura stessa in curva.

Dare gas in prossimità o all’ingresso curva significa sbilanciare letteralmente il veicolo andando a reimpostare un maggiore carico al retrotreno. Questa situazione favorisce il sotto sterzo e l’usura anomala dei pneumatici. Quando si compiono questi errori e si soffre di sottosterzo non si ha sempre l’umiltà di riconoscere l’errore di guida e si chiedono modifiche al set che rovinano l’equilibrio della macchina.

Ovviamente nelle competizioni maggiori ciò non accade perchè i tecnici osservando la telemetria hanno la prova provata del momento in cui viene aperto il gas ed il pilota si deve arrendere alla realtà. Solitamente quando un pilota si ostina in presunzioni o a non ascoltare, viene ceduto ad altre squadre (generalmente minori) a fine stagione… ma questo è un altro discorso.

*Tale fenomeno si manifesta molto spesso anche nei simulatori di guida ove non si riesce ad avere, nonostante gli sforzi di chi li realizza, la percezione della frenata e dello spazio rimanente prima dell’ingresso curva…

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